CN117348727A - 用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置、系统及方法 - Google Patents

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CN117348727A CN202311287819.6A CN202311287819A CN117348727A CN 117348727 A CN117348727 A CN 117348727A CN 202311287819 A CN202311287819 A CN 202311287819A CN 117348727 A CN117348727 A CN 117348727A
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Abstract

本发明属于人机交互、混合现实领域，提供了用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置、系统及方法，其技术方案为：该装置中，第一伺服电机和第二伺服电机分别通过加固件与长连杆的两侧相连且均平行于手指安装，通过第一伺服电机和第二伺服电机的转动，带动力触觉反馈触点进行上下和左右两个方向自由度的移动；所述水平导向机构包括滑块、滑轨和连接件，所述滑块固定至长连杆上，贯穿滑块和滑轨设置螺柱，通过连接件将螺柱和第三伺服电机连接，通过第三伺服电机的转动带动螺柱正反转，带动滑块在滑轨上的前后移动实现力触觉反馈触点第三个方向自由度的移动。该装置通过结合虚拟现实和力触觉反馈技术，为用户提供了接近理想的触觉体验。

Description

用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置、系统及方法
技术领域
本发明属于人机交互、混合现实领域，尤其涉及用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置、系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在虚拟现实技术迅速发展的背景下，人机交互体验的提升成为一个重要的研究方向。传统的虚拟现实技术主要集中在视觉和听觉方面，然而在认知环境和与环境互动的过程中，触觉感知是一种重要接触信息感知途径。研究表明，力触觉在认识客观世界中具有关键地位，它不仅提供了关于物体形状、质地和力度的信息，还能够在人与环境互动中传递细致的体感反馈。最近的研究趋势表明，力触觉反馈技术在军事仿真、医疗、娱乐、教育等多个领域都具有广泛的应用前景。
在现有混合现实技术中，尽管视觉和听觉的模拟已取得长足进展，但触觉反馈仍存在技术瓶颈，主要体现在：传统的力触觉反馈装置通常只能提供有限的振动反馈，无法准确地模拟物体的质地和力度变化。同时，传统的力触觉反馈装置的自由度也存在一定的限制，通常为桌面固定式末端执行器交互。这种约束手部的单点接触获得力触觉的方式，难以满足用户在虚拟环境中多样化的操作需求。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置、系统及方法，其通过在虚拟环境中引入三自由度的力触觉反馈，不仅使得传统的人机交互系统演变为闭环系统，还可以产生单点多方向的力触觉感受，从而实现更高水平的沉浸式体验和真实感，以进一步推动虚实结合的人-机-环境交互。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，包括连杆结构、水平导向结构、驱动机构和手指承载座；
所述连杆结构包括驱动杆、从动杆和长连杆；所述驱动机构包括多个伺服电机和对应的加固件，所述驱动杆一端连接至第一伺服电机，另一端连接至从动杆的一端，所述从动杆的另一端连接至第二伺服电机，所述驱动杆和从动杆的连接处设置力触觉反馈触点，为手指第一关节指腹提供力触觉反馈；
所述第一伺服电机和第二伺服电机分别通过各自的加固件与长连杆的两侧相连且均平行于手指安装，分别位于手指的对称两侧；通过第一伺服电机和第二伺服电机的转动，带动力触觉反馈触点进行上下和左右两个方向自由度的移动；
所述水平导向机构包括滑块、滑轨和连接件，所述滑块固定至长连杆上，贯穿滑块和滑轨设置螺柱，通过连接件将螺柱和第三伺服电机连接，通过第三伺服电机的转动带动螺柱正反转，带动滑块在滑轨上的前后移动实现力触觉反馈触点第三个方向自由度的移动。
作为一种实施方式，所述手指承载座包括指尖支撑件和魔术贴接口，贴近手指背面一侧设置有弧度的硬质板面，所述指尖支撑件两侧设置魔术贴接口，通过魔术贴接口与手指第二关节指腹接触并固定。
作为一种实施方式，所述水平导向机构还包括滑块支撑导轨，所述滑块支撑导轨水平导向结构中的滑块内设置圆孔螺纹，所述圆孔螺纹与螺柱螺纹相适配。
本发明的第二个方面提供用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统，包括指尖力触觉反馈装置、位置追踪器、通讯模块、控制模块及虚拟现实系统；
所述位置追踪器用于获取手部的位置信息；
所述虚拟现实系统用于接收手部的位置信息，根据虚拟手指与虚拟环境中物体之间的位置信息及发生的接触进行检测得到接触距离；
所述通讯模块用于接收手部的位置信息和接触距离，计算得到虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力；
所述控制模块用于根据虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力和给定的转动角速度信号，通过自适应分数阶PID优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，以通过指尖力触觉反馈触点反馈最佳交互力。
作为一种实施方式，所述系统还包括服务器和摄像设备，所述位置追踪器和服务器连接，所述服务器和摄像设备连接，所述服务器用于将通过摄像设备存储的数据发送至位置追踪器，所述位置追踪器用于将追踪的手部的位置信息发送至虚拟现实系统。
作为一种实施方式，所述虚拟现实系统用于通过碰撞检测算法，通过不断的检测虚拟手指尖是否抓握虚拟现实中物体并与之发生碰撞的过程，来判断力触觉反馈装置交互设备是否应该产生相应的力触觉反馈，将碰撞信号传递至通讯模块。
本发明的第三个方面提供用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈方法，包括如下步骤：
获取手部的位置信息；
接收手部的位置信息，根据虚拟手指与虚拟环境中物体之间的位置信息及发生的接触进行检测得到接触距离；
接收手部的位置信息和接触距离，计算得到虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力；
根据虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力和给定的转动角速度信号，通过自适应分数阶PID优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，通过指尖力触觉反馈触点反馈最佳交互力。
作为一种实施方式，所述通过自适应分数阶PID优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，具体包括：
在PID算法上使用人工蜂群算法优化PID控制，将伺服电机角速度跟踪误差绝对值积分指标作为采用人工蜂群算法优化PID控制后的目标函数；
基于该目标函数，设定初始分数阶PID控制参数；
确定目标函数和蜂群数量，并设置最大的迭代次数，随机产生一个初始蜂群并计算和比较每个解的适应度值，筛选最优解；
基于输出的最优解确定对应的最优PID控制参数；
根据最优PID控制参数调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度。
作为一种实施方式，所述目标函数为：
式中，e为角速度误差，u为控制系统的输出，t为上升时间；k1、k2、k3
为调整权值。
作为一种实施方式，所述比较每个解的适应度值，筛选最优解的过程包括：
在雇佣蜂阶段，雇佣蜂会对每一个蜜源附近进行一次开采并获得一个新蜜源，通过对比新蜜源和旧蜜源而保留一个更好的蜜源；
在完成雇佣蜂阶段后对所有解K邻域地搜索后进入旁观蜂阶段，得到全局最优解和局部最优解；
当选择的蜜源开采次数达到上限时，进入侦查蜂阶段，随机更新策略去探索新的蜜源，直至达到迭代次数，输出最优解。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提出用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈装置，结构简单紧凑，对手指的运动约束小，采用三个小型伺服电机通过连杆结构和水平导向结构可以为手指第一关节指腹提供三个自由度的力触觉，即两个方向摩擦力和一个方向法向压力，进一步提高手指尖力触觉反馈的准确性，提高虚拟现实环境交互中完成精准操作任务的效率。
2)本发明提出一种用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈装置的控制方法，使用无刷直流电机的仿真优化控制实现对伺服电机旋转角速度跟踪误差的控制，即实现了对反馈装置的三方向力触觉控制；同时引入了人工蜂群算法对分阶段PID控制进行了优化，系统能够抑制外界负载的干扰，提高了角速度的跟踪精度。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的三自由度指尖力反馈装置第一示意图；
图2为本发明的三自由度指尖力反馈装置第二示意图；
图3为本发明的用于混合现实的三自由度力触觉反馈装置使用方法流程图；
图4为用于混合现实的三自由度力触觉反馈系统框架；
图5为自适应分数阶PID优化控制流程；
其中，1为五连杆机构驱动杆，2为五连杆机构从动杆，3为指尖三维力触觉触点，4为第一伺服电机，5为第二伺服电机，6为第三伺服电机，7为第一伺服电机加固件，8为第二伺服电机加固件，9为第三伺服电机固定件，10为指尖支撑件，11为手指魔术贴接口，12为滑块，13为滑块支撑轨道，14为连接件，15为长连杆，16为滑轨。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1和图2示出了三自由度指尖力反馈装置，本发明实施例一提供用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈装置，包括连杆结构、水平导向结构、驱动机构和手指承载座；
所述连杆结构采用弯曲M型连杆机构，包括两个五连杆机构驱动杆1、两个五连杆机构从动杆2和一个长连杆15；
所述水平导向机构包括滑块12、滑轨16、滑块支撑轨道13和连接件14、螺柱；所述驱动机构包括伺服电机和用于固定伺服电机的固定件；
所述手指承载座包括指尖支撑件10和魔术贴接口11；
作为具体的实施例，所述两个五连杆机构驱动杆1和两个五连杆机构从动杆2中，其中两个五连杆机构驱动杆1之间、相邻的五连杆机构驱动杆1和五连杆机构从动杆2及两个五连杆机构从动杆2之间的关节处通过设计的铰链3进行连接，使得连杆结构与连接的驱动机构处于同一水平面上；
所述铰链3处可作为反馈装置的力触觉反馈触点，为手指第一关节指腹提供力触觉反馈；
所述连杆结构中的关节处，除已与电机连接的关节，其余三个关节通过半牙螺栓和自锁螺母固定，可以保持关节的稳定性。
具体地，所述水平导向结构中的滑块支撑导轨13，不仅可以对水平导向机构起到限位作用，还增强了连杆结构的稳定性；所述水平导向结构中的滑块内圆孔螺纹与螺柱螺纹相适配；同时设置滑块支撑轨道13，是为了使长连杆15能保证水平方向的稳定性而不因外力作用产生偏转。
所述伺服电机包括第一伺服电机4、第二伺服电机5和第三伺服电机6，第一伺服电机4采用第一伺服电机加固件7固定，第二伺服电机5采用第二伺服电机加固件8固定，第三伺服电机6采用固定件9固定；目的是为了在使用过程中保证电机转动的稳定性，不会因为外力作用使得电机发生位移。
力触觉反馈装置的动力来源于第一伺服电机4、第二伺服电机5和第三伺服电机6，使用PWM信号进行调速，控制三个伺服电机的转动角度。
其中，所述第一伺服电机4和第二伺服电机5分别通过各自的加固件与长连杆15的两侧相连，分别位于指尖支撑件10的对称两侧；
所述第一伺服电机4和第二伺服电机5的轴分别与2个五连杆机构驱动杆1的关节相固定，以实现二自由度的力触觉反馈；
第一伺服电机4和第二伺服电机5分别为两个五连杆机构驱动杆1提供转动动力，两个五连杆机构驱动杆1分别与两个五连杆机构从动杆2连接，并提供一个相对于装置的上下和左右方向的一个移动，即实现指尖三维力触觉触点3的两个方向自由度的移动。
所述第三伺服电机6通过固定件9固定在指尖支撑件10的指尖远端处，通过连接件14将螺柱和第三伺服电机6的轴连接，以实现通过伺服电机的转动带动螺柱正反转，进而实现滑块12在滑轨16上的前后移动，滑块12的移动带动长连杆15、第一伺服电机4、第二伺服电机5及滑块支撑轨道13，第一伺服电机4、第二伺服电机5的移动则会带动五连杆进行一个前后移动，即实现指尖三维力触觉触点3的一个方向自由度的移动，结合上述二自由度以实现三自由度的力触觉反馈。
所述手指承载座中的指尖支撑件10，贴近手指背面一侧是有弧度的硬质板面，其弧度更贴合人类手指背面的自然弧度；所述手指承载座两侧的魔术贴接口11，通过魔术贴与手指第二关节指腹接触并固定。
图3示出了自由度力触觉反馈装置使用方法流程，在每位受试者开始前需要受试者佩戴虚拟现实头盔，并采集受试者的基本个人信息。
获取受试者佩戴指尖力触觉反馈装置进行不同物体的抓握，并获取受试者的基本信息；
判断受试者是否按要求完成佩戴装置的抓握次数，如果否，则设置休息时间，如果是，则对本次多物体抓握的数据进行存储；
每次测试之间休息15s以防止肌肉疲劳带来的影响，记录手指的位置信息及抓握所需时间、成功次数，并将所有测试数据存储以供后续分析。
判断是否完成不佩戴装置的抓握，如果否，则设置休息时间，如果是，判断是否是最后一名受试者，如果否，则进行下一位受试者的实验，如果是，则结束实验，存储获取的数据。
次重复上述抓握步骤，但不佩戴虚拟现实装置，在此期间进行1min的休息以防止肌肉记忆带来的影响，
通过这一流程，可以获取佩戴虚力触觉反馈装置和不佩戴装置时受试者的抓握测试数据，进而评估力触觉反馈装置对抓握能力的影响，以及其是否有效提供力触觉反馈。这一方法有助于深入了解力触觉反馈装置的性能。
图4示出了一种用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统示意图，本发明实施例二提供一种用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统。通过位置追踪器获取手部的位置信息X，利用虚拟现实环境中的碰撞检测算法，对虚拟手指与虚拟环境中的物体之间的位置信息及发生的接触提供一个接触距离S。通过通讯模块在上位机中计算虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力Fr，并将其传递给下位机，以发送给定的转动角速度信号ωr(PWM信号)，从而控制三个伺服电机的旋转角度。最后，通过3-DOF力触觉反馈装置对人手指尖反馈一个接近理想的交互力Fy。
一种用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统，包括指尖力触觉反馈装置、位置追踪器、通讯模块、控制模块及虚拟现实系统；
所述位置追踪器用于获取手部的位置信息；
所述虚拟现实系统用于接收手部的位置信息，根据虚拟手指与虚拟环境中物体之间的位置信息及发生的接触进行检测得到接触距离；
所述通讯模块用于接收手部的位置信息和接触距离，计算得到虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力；
所述控制模块用于根据虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力和给定的转动角速度信号，通过自适应分数阶PID优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，通过指尖力触觉反馈触点反馈最佳交互力。
进一步地，所述系统还包括服务器和摄像设备，所述位置追踪器和服务器连接，所述服务器和摄像设备连接，所述服务器用于将通过摄像设备存储的数据发送至位置追踪器，所述位置追踪器用于将追踪的手部的位置信息发送至虚拟现实系统。
进一步地，所述虚拟现实系统用于通过碰撞检测算法，通过不断的检测虚拟手指尖是否抓握虚拟现实中物体并与之发生碰撞的过程，来判断力触觉反馈装置交互设备是否应该产生相应的力触觉反馈，将碰撞信号传递至通讯模块。
本发明实施例三提供一种用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈方法，通过制作虚拟现实场景及场景中所需抓握的物体，获得手指尖的位置、姿态信息，后手部信息通过上位机中计算的虚拟手部与虚拟环境之间的理想交互力，将理想交互力与之对应的转动角速度通过下位机发送脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)信号对伺服电机的转速进行反馈调节，提高角速度的跟踪精度，达到预期的力触觉反馈。
具体包括如下步骤：
步骤1：获取手部的位置信息；
步骤2：接收手部的位置信息，根据虚拟手指与虚拟环境中物体之间的位置信息及发生的接触进行检测得到接触距离；
步骤3：接收手部的位置信息和接触距离，计算得到虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力；
步骤4：根据虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力和给定的转动角速度信号，通过自适应分数阶PID优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，通过指尖力触觉反馈触点反馈最佳交互力。
为了更清楚地说明本发明的方面，下面以具体的实施例进一步说明。
在佩戴指尖力反馈装置的条件下，3自由度指尖力触觉反馈装置采用自适应分数阶PID优化控制方法，即引入人工蜂群算法对分数阶PID控制系统进行优化，在控制器的作用下，抑制外界负载的干扰，控制电机转动角速度的跟踪误差，进而控制力触觉接近理想的交互力，实现对3自由度指尖力反馈装置的实时控制。
在本实施例中，使用无刷直流电机的仿真优化控制实现，在PID算法上使用人工蜂群算法优化PID控制，实现对伺服电机旋转角速度跟踪误差的控制。
图5示出了自适应分数阶PID优化控制流程，首先设定分数阶PID控制系统中Kp、KI、KD、λ、μ等参数的范围，确定目标函数和蜂群数量，并设置最大的迭代次数，随机产生一个初始蜂群并计算、比较每个解的适应度值，筛选最优解。
其中，初始化阶段，假设蜂源的初始数量为N，蜂群搜索空间为D维，开采上限为L，每个蜂源的位置表示问题的一个可能解，一只采蜜蜂与一个蜜源相对应，初始化蜜源表示为：
式中，i∈[1,2,...,N]，j∈[1,2,...,D]。di,j表示第i个蜜源的第j维位置；表示第i个蜜源的第j维的边界下限值；/>表示第i个蜜源的第j维的边界上限值；r表示取值范围为(0,1)的随机数。
其中，选择伺服电机角速度跟踪误差绝对值积分指标作为改进人工蜂群算法的目标函数，将其表示为：
式中，A为目标函数；e为角速度误差；u为控制系统的输出；t为上升时间；k1、k2、k3为调整权值。
之后根据改进后的迭代方程进行搜索最优解的叠加，并生成新的分数阶PID控制系统的参数。
首先在雇佣蜂阶段，雇佣蜂会对每一个蜜源附近进行一次开采并获得一个新蜜源，通过对比新蜜源和旧蜜源而保留一个更好的蜜源，公式表示为：
Xij＝xij+ηij(xij-xkj) (3)
式中，Xij表示新蜜源位置；ηij表示区间[-1,1]中的随机数，xkj表示第k个蜜源的第j维位置，k≠i。
进一步的，在完成雇佣蜂阶段后对所有解K邻域地搜索后进入旁观蜂阶段，旁观蜂的数量为n，选择概率公式表示为：
式中，Pi表示为第i个蜜源的选择概率；fi表示第i个蜜源的适应度值；n表示种群数量。为了更好的搜索全局最优解，对选择概率进行修改，公式表示为：
式中，ri表示取值为0或1的常数。
为了避免选择概率陷入局部解，对迭代方程改进公式为：
Xij＝xij,b+ηij(xij,b-xkj)
式中，xij,b表示第i个蜜源的第j维最优位置。
当选择的蜜源开采次数达到上限Li时，进入侦查蜂阶段，随机更新策略去探索新的蜜源。
本实施例通过获取位置追踪器获取手部信息的实时数据，通过上位机计算得到初始角度，通过在虚拟环境中引入三自由度的力触觉反馈，使得传统的人机交互系统演变为闭环系统，产生单点多方向的力触觉感受，并对伺服电机的转动角速度进行实时调节，减小误差。
在所述三个自由度包括两个方向摩擦力控制和一个方向法向压力控制的过程中，通过位置追踪器实施获得一个手部的位置，当虚拟手部与虚拟环境中的物体之间发生碰撞时提供一个接触信息，通过通讯模块将上位机中计算的虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力，并输入一个给定的转动角速度信号通过下位机传递，通过控制模块的控制算法给使用者反馈一个接近理想的交互力的一个转动角速度，通过设备将理想交互力反馈给人手指尖以实现设备的最佳功能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，其特征在于，包括连杆结构、水平导向结构、驱动机构和手指承载座；
所述连杆结构包括驱动杆、从动杆和长连杆；所述驱动机构包括多个伺服电机和对应的加固件，所述驱动杆一端连接至第一伺服电机，另一端连接至从动杆的一端，所述从动杆的另一端连接至第二伺服电机，所述驱动杆和从动杆的连接处设置力触觉反馈触点；
所述第一伺服电机和第二伺服电机分别通过各自的加固件与长连杆的两侧相连且均平行于手指安装，分别位于手指的对称两侧；通过第一伺服电机和第二伺服电机的转动，带动力触觉反馈触点进行上下和左右两个方向自由度的移动；
所述水平导向机构包括滑块、滑轨和连接件，所述滑块固定至长连杆上，贯穿滑块和滑轨设置螺柱，通过连接件将螺柱和第三伺服电机连接，通过第三伺服电机的转动带动螺柱正反转，带动滑块在滑轨上的前后移动实现力触觉反馈触点第三个方向自由度的移动。
2.如权利要求1所述的用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，其特征在于，所述手指承载座包括指尖支撑件和魔术贴接口，贴近手指背面一侧设置有弧度的硬质板面，所述指尖支撑件两侧设置魔术贴接口，通过魔术贴接口与手指第二关节指腹接触并固定。
3.如权利要求1所述的用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，其特征在于，所述水平导向机构还包括滑块支撑导轨，所述滑块支撑导轨水平导向结构中的滑块内设置圆孔螺纹，所述圆孔螺纹与螺柱螺纹相适配。
4.用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统，其特征在于，包括指尖力触觉反馈装置、位置追踪器、通讯模块、控制模块及虚拟现实系统；
所述位置追踪器用于获取手部的位置信息；
所述虚拟现实系统用于接收手部的位置信息，根据虚拟手指与虚拟环境中物体之间的位置信息及发生的接触进行检测得到接触距离；
所述通讯模块用于接收手部的位置信息和接触距离，计算得到虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力；
所述控制模块用于根据虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力和给定的转动角速度信号，通过自适应分数阶PID优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，以通过指尖力触觉反馈触点反馈最佳交互力。
5.如权利要求4所述的用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统，其特征在于，所述系统还包括服务器和摄像设备，所述位置追踪器和服务器连接，所述服务器和摄像设备连接，所述服务器用于将通过摄像设备存储的数据发送至位置追踪器，所述位置追踪器用于将追踪的手部的位置信息发送至虚拟现实系统。
6.如权利要求4所述的用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统，其特征在于，所述虚拟现实系统用于通过碰撞检测算法，通过不断的检测虚拟手指尖是否抓握虚拟现实中物体并与之发生碰撞的过程，来判断力触觉反馈装置交互设备是否应该产生相应的力触觉反馈，将碰撞信号传递至通讯模块。
7.用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取手部的位置信息；
接收手部的位置信息，根据虚拟手指与虚拟环境中物体之间的位置信息及发生的接触进行检测得到接触距离；
接收手部的位置信息和接触距离，计算得到虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力；
根据虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力和给定的转动角速度信号，通过自适应分数阶PID优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，通过指尖力触觉反馈触点反馈最佳交互力。
8.如权利要求7所述的用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈方法，其特征在于，所述通过自适应分数阶PID优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，具体包括：
在PID算法上使用人工蜂群算法优化PID控制，将伺服电机角速度跟踪误差绝对值积分指标作为采用人工蜂群算法优化PID控制后的目标函数；
基于该目标函数，设定初始分数阶PID控制参数；
确定目标函数和蜂群数量，并设置最大的迭代次数，随机产生一个初始蜂群并计算和比较每个解的适应度值，筛选最优解；
基于输出的最优解确定对应的最优PID控制参数；
根据最优PID控制参数调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度。
9.如权利要求8所述的用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈方法，其特征在于，所述目标函数为：
式中，e为角速度误差，u为控制系统的输出，t为上升时间；k1、k2、k3为调整权值。
10.如权利要求8所述的用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈方法，其特征在于，所述比较每个解的适应度值，筛选最优解的过程包括：
在雇佣蜂阶段，雇佣蜂会对每一个蜜源附近进行一次开采并获得一个新蜜源，通过对比新蜜源和旧蜜源而保留一个更好的蜜源；
在完成雇佣蜂阶段后对所有解K邻域地搜索后进入旁观蜂阶段，得到全局最优解和局部最优解；
当选择的蜜源开采次数达到上限时，进入侦查蜂阶段，随机更新策略去探索新的蜜源，直至达到迭代次数，输出最优解。
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